Obróbka Plastyczna Metali Nr 3, 2005 Przyrzdy i narzdzia prof. dr hab. in. Jerzy Gronostajski Politechnika Wrocławska, Wrocław INTELIGENTNY SYSTEM DO DOKŁADNEGO KSZTAŁTOWANIA WYROBÓW Z BLACH Streszczenie W ostatnich latach procesy kształtowania plastycznego blach uległy znacznemu rozwojowi. Niemniej jednak kształtowanie blach jako proces przemysłowy jest mocno uzalenione od wielu wzajemnie zalenych parametrów takich jak: zachowanie materiału, smarowanie, urzdzenia kształtujce, prdko odkształcania itp. Prawidłowy wybór tych parametrów jest jednym z głównych celów nowoczesnego projektowania. W przypadku kształtowania blach typowe odchylenia od załoonej geometrii wyrobów s take uzalenione od kształtu i rozmiarów wytłoczek. Głównym celem artykułu jest przedstawienie ulepszonego i rozwinitego systemu projektowania procesów kształtowania wyrobów z rónych blach. Rozwizanie tego problemu bazuje na obliczeniach napre własnych, wywołanych nimi odkształce sprystych i korekcji narzdzi przy uyciu MES. Nowy opracowany system projektowania eliminuje niedokładno procesów i wyrobów z du precyzj i jednoczenie pozwala zaoszczdzi pienidze w wyniku wyeliminowania techniki prób i błdów. Słowa kluczowe: blacha, formowanie, dokładno, inteligentny system 1. Wstp Tłoczno blach jest złoonym, inynierskim problemem, którego nie mona zdefiniowa za pomoc pojedynczej zalenoci. Natomiast musi ona by opisana niezalenymi zmiennymi takimi jak: właciwoci materiału, narzdzia, prasy, warunki procesu i zalenymi parametrami takimi jak: płynicie metalu, odkształcenie, prdko odkształcania, naprenia wewntrzne i odkształcenia powrotne. Jest bardzo trudno uwzgldni w procesach kształtowania takie czynniki jak: kształt kocowy, tolerancje, moliwe wady, utrat statecznoci wywołan siłami rozcigajcymi, fałdowanie, właciwoci mechaniczne, odporno na korozj i zuycie narzdzi. Tłocznoci blach jest zwykle okrelana w oparciu o koncepcj wykresów odkształce granicznych (WOG). Koncepcja WOG została opracowana przez Keelera [1] i Goodwina [2]. Pozwala ona dla okrelonego materiału, sposobu i warunków odkształcania okreli odkształcenia graniczne, szczególnie w operacjach głbokiego tłoczenia. Dokładna budowa WOG dla okrelonych materiałów bazuje na eksperymencie. Metody analityczne opracowane przez Marciniaka i Kuczyskiego [3] i Jaliniera [4], Barata-da Rocha [5], Gronostajskiego [6] i innych s stosowane do wyznaczenia teoretycznych WOG, które s jednak nieco mniej dokładne anieli wyznaczone w dowiadczalnie. WOG trudno jest jednak zastosowa do projektowania procesów tłoczenia blach, poniewa zale one istotnie od drogi odkształcania, tj. od historii odkształcania blachy, dlatego w przypadku wytwarzania przemysłowych wyrobów w kilku operacjach krzywe odkształce granicznych, okrelone dla prostoliniowej drogi odkształcania nie mog by uyte do zapewnienia sukcesu w takich operacjach. Rozwaajc ten fakt Arrieux i inni [7] zaproponowali inn metod okrelania WOG poprzez uycie składowych napre głównych wystpujcych w płaszczynie blachy (WNG). Składowe te w momencie utraty stateczno- ci s niezalene od drogi odkształcenia. Metoda ta została rozwinita przez Gronostajskiego [8] na blachy o właciwociach anizotropowych. Wykres napre gra-
nicznych (WNG) moe by przedstawiony jako pojedyncza linia dla rónych dróg odkształcania w płaszczynie σ 1 - σ 2. WNG moe by uyty do obliczenia WOG dla rónych dróg odkształcenia. W obliczeniach numerycznych procesów głbokiego tłoczenia za pomoc MES wykres napr- e granicznych moe by uyty jako kocowy wskanik procesu tłoczenia. W ramach INCO-COPERNICUS pt System do projektowania procesów tłoczenia blach, koordynowanego przez Gronostajskiego [9] WNG został dalej udoskonalony i wprowadzony do profesjonalnego programu MES [10, 11]. Zastosowanie WNG w symulacji metod elementów skoczonych stwarza moliwo dokładnego okrelenia pocztku i propagacji lokalnej utraty statecznoci i rozwoju pasm polizgu. Prowadzi to do drastycznej redukcji czasu i kosztów pocztkowego zaadaptowania narzdzi i pozwala łatwiej okreli parametry procesu. Symulacja procesów tłoczenia blach jest take uzaleniona od równa konstytutywnych (RK) opisujcych płynicie materiału blachy w rónych warunkach odkształcania. Dopiero ostatnio zostało opracowanych kilka modeli [12, 13], które mog by zastosowane do obliczania naprenia uplastyczniajcego nowych generacji blach. W procesach tłoczenia typowe odchylenia od danej geometrii s uzalenione od kształtu, rozmiarów i rodzaju wytłoczek. Odchylenia jak równie osigane tolerancje s bardzo mocno zalene równie od parametrów procesu i rodzaju blachy. Najwikszy postp moe by osignity przez ulepszenie i rozwój procesów projektowania kształtowania wyrobów z blach zarówno o stałej jak i zmiennej gruboci np. tzw. tailored blanks (blach łczonych laserem). Inteligentny system dokładnego kształtowania wyrobów z blach, opracowany w ramach V programu ramowego, bazuje na wirtualnej symulacji i modelowaniu. System uwzgldnia powrotne odkształcenia spryste spowodowane kształtowaniem i dodatkowymi operacjami, które maj decydujcy wpływ na kocowy kształt i rozmiary wyrobów. Praktyczne zastosowanie metody kompensacji narzdzi pozwala uzyskiwa wyroby z małymi odchyleniami rozmiarów. Zaproponowana metoda obejmuje kompensacj narzdzi poprzez przestrzenn symulacj MES procesów kształtowania. Na podstawie wyników symulacji MES kreowane s narzdzia wirtualne. Wikszo prac przedstawionych w literaturze dotyczy odkształce sprystych dla przypadku prostego gicia. Std powanym problemem jest okrelenie napr- e własnych i odkształce sprystych kształtowanych wyrobów o złoonej geometrii. Problemy te s bardzo wane dla producentów z punktu widzenia wyeliminowania trudnoci w procesie montau wyrobów np. karoserii samochodu. Porównanie wyników uzyskanych za pomoc profesjonalnych programów opartych o MES zarówno uwzgldniajcych jawne jak i ukryte schematy całkowania po czasie, wykazuj e trudno jest obliczy dokładnie odkształcenia wywołane sprystymi odkształceniami powrotnymi. Przyczyna moe by zwizana z niedokładnymi obliczeniami geometrii, uyciem niewłaciwych praw tarcia, złym modelem materiału i niewłaciwym modelem MES. Weryfikacja opracowanej metody kompensacji narzdzi została przeprowadzona w skali laboratoryjnej dla typowych wytłoczek takich jak: osiowo-symetryczne, prostoktne, o złoonym kształcie, jak równie w skali przemysłowej dla aktualnie produkowanych wyrobów. Badania dotyczyły takich materiałów jak: blachy głbokotłocze, blachy ze stopów aluminium i blachy spawane laserem. Podsumowujc przedstawione rozwaania mona stwierdzi, e modelowanie matematyczne procesów tłoczenia blach nie jest ju ograniczane pojemnoci pamici komputerów oraz moliwoci przetwarzania danych i moe by miało udoskonalone w wyniku wzicia pod uwag ww. czynników. Głównym celem artykułu jest pokazanie udoskonalonych i rozwinitych metod projektowania procesów kształtowania wyrobów z rónych blach. Rozwizanie problemu bazuje na biecych obliczeniach napre własnych i wywołanego nimi spr- ystego odkształcenia powrotnego oraz korekcji narzdzi za pomoc metody MES. Nowy system projektowania eliminuje niedokładnoci procesu i wyrobów z bardzo du powtarzalnoci, jak równie pozwala zaoszczdzi czas i pienidze zwizane z metod prób i błdów.
Opracowany inteligentny system dokładnego kształtowania wyrobów z blach moe by zastosowany do projektowania procesów tłoczenia, które s stosowane w zakładach przemysłowych uczestniczcych w realizacji projektu oraz w innych zakładach na podstawie odpowiednich porozumie. 2. Metoda obliczania napre własnych w złoonych wytłoczkach Przedstawiona metoda oblicze napr- e własnych w czasie i po zakoczonych operacjach głbokiego tłoczenia blach jest głównie oparta o procedury elementów skoczonych [14, 15]. Naprenia własne s generowane podczas próby rozcigania w urzdzeniu przedstawionym na rys. 1. Urzdzenie zawiera dwie szczki, w których zamocowane s trzy próbki o rónej długoci. Szczki mocowane s w maszynie wytrzymałociowej do rozcigania. Ruchoma szczka wywołuje przemieszczenia próbek. próbka rodkowa o długoci pocztkowej l 3 Central sample with initial length of l3 F, l l1 l3 l1 para zewntrznych próbek o pocztkowej Outside samples with initial length of l1 długoci l 1 Rys. 1. Urzdzenie do jednoczesnego rozcigania próbek ruchoma szczka Mobile grip nieruchoma Fixed grip szczka W celu ograniczenia nierównomiernego obcienia szczk para zewntrznych próbek ma jednakow pocztkow długo l 1, podczas gdy pocztkowa długo próbki rodkowej l 3 > l 1. Szczki powinny by tak sztywne, jak to jest tylko moliwe dla zapewnienia jednakowych przemieszcze wszystkich trzech próbek. Poniewa długo próbek jest róna równie róne s ich odkształcenia. Zakłada si, e napr- enia i odkształcenia w kadej próbce s jednorodne. Poniewa materiał próbek jest taki sam zmiana lokalnych napre wzgldem lokalnych odkształce jest okre- lona tak sam krzyw. Dla pewnego wybranego czasu punkty biece okrelajce naprenie i odkształcenie w kadej próbce s róne. Mechaniczny system rozwaany tutaj jest oparty o przemieszczenie jednej szczki. Gdy nastpuje odcienie szczki siła przenoszona przez maszyn wytrzymało- ciow spada do zera. W próbkach pozostaj siły wzajemnego ich oddziaływania, przy czym ich suma ΣF = 0. Poniewa odkształcenia spryste maj róne wartoci stan równowagi jest osignity wtedy, gdy siły wewntrzne i przemieszczenia w próbkach nie znikaj. Naprenia wewntrzne 1 i 3 i w próbkach po odcieniu szczk spełniaj ponisze równanie 2 1 1 3 3 = σ ' S' + σ ' S' 0 (1) gdzie: 1 jest napreniem wewntrznym w próbach zewntrznych po obcieniu szczk, S 1 jest przekrojem zewntrznych próbek po odcieniu szczk, 3 jest napreniem wewntrznym próbki rodkowej po odci- eniu szczk, S 3 jest przekrojem próbki rodkowej po odcieniu szczk. Stan napre stabilnych jest osignity, gdy próbka rodkowa jest ciskana, natomiast próbki zewntrzne s rozcigane. Wartoci napre własnych zale od wielu czynników, lecz mog by łatwo wyznaczone z danych dowiadczalnych. Przedstawiony eksperyment prosto ilustruje w jaki sposób naprenia własne s generowane wewntrz materiału podczas operacji tłoczenia. Wystpuje to wtedy, gdy ssiednie strefy odkształcane s wzdłu rónych dróg odkształcenia. Dla przykładu ma to miejsce, gdy blacha jest przecigana przez progi cigowe. Fałdowanie i prostowanie zachodzce w tym przypadku prowadz do utworzenia przeciwnego stanu napre rozcigajcych w górnej strefie blachy i przeciwnych w dolnej strefie. Ma to równie miejsce, gdy odkształcane blachy s niejednorodne. Czstki przemieszczajce si wewntrz materiału wzdłu rónych dróg odkształcania generuj naprenia własne, take po zakoczonej operacji
i usuniciu narzdzi kształtujcych. Konkluzje dotyczce napre własnych s nastpujce: naprenia własne odpowiadaj szczególnym warunkom brzegowym, gdy warunki brzegowe ulgaj zmianie naprenia zmieniaj si zgodnie z podstawowym prawem równowagi, co wywołuje wystpienie sprystych odkształce powrotnych, naprenia własne s niejednorodne, nawet wzdłu długoci kształtowanej blachy lub w kołnierzu, zale one od historii odkształcania materiału blachy. 3. Metoda kompensacji błdów wywołanych sprystymi odkształceniami powrotnymi Zostały opracowane dwie metody kompensacji powrotnych odkształce sprystych, jedna przez University w Savoie (US), druga przez Politechnik Wrocławsk (PW). Metoda US kompensacji odkształce powrotnych, zwana projektowaniem eksperymentów (PE) polega na zracjonalizowaniu praktyki przemysłowej przez zastpienie rzeczywistych prób próbami numerycznymi poprzez odpowiedni symulacj. Liczba symulacji zaley od liczby czynników uwzgldnionych w badaniu i liczny poziomów przyjtych dla kadego z tych czynników. Takie badania pozwalaj okre- li matematyczne zalenoci pomidzy geometria czci, parametrami procesu tłoczenia i geometria narzdzi, zwykle za pomoc wielomianów. Metoda PW kompensacji odkształce powrotnych opiera si na zastosowaniu wirtualnych sił reakcji lub przemieszcze sprystych po odcieniu wytłoczek do wykreowania skorygowanych narzdzi. Zgodnie z Wagonerem [17] taka metoda zapewnia osignicie zamierzonego celu. Lecz okazało si, e metoda sił moe by jedynie uyta do symulacji prostych kształtów wytłoczek, zwykle osiowosymetrycznych, natomiast metoda przemieszcze sprystych moe by uyta do bardziej złoonych wytłoczek, poniewa nie jest wymagana znajomo dodatkowych warunków brzegowych. Metoda sił wirtualnych została zastosowana z dobrymi wynikami do kompensacji sprystych odkształce powrotnych w przypadku nastpujcych procesów: kształtowania osiowosymetrycznej wytłoczki [18, 19], tłoczenia półkolistej wytłoczki [20], tłoczenia półkolistej stokowej wytłoczki [21] i do tłoczenia złoonej prostoktnej wytłoczki [22]. Metoda ta jest szczególnie bardzo trudna w przypadku kształtowania wytłoczek ze szczelinami mniejszymi lub nawet równymi gruboci blachy oraz w przypadku bardzo duych sił stosowanych w kocowym etapie operacji. Due siły stosowane w takich procesach nie s przydatne do kompensacji błdów wynikajcych z odkształce powrotnych. Przykładami mog by wytłoczki w kształcie długiej belki o przekroju w kształcie litery U lub wytłoczki w kształcie litery L. Było to przyczyn, e mimo znacznego nakładu pracy dla skompensowania błdów wynikajcych z odkształce sprystych takich wytłoczek przy uyciu metody wirtualnych sił nie osignito załoonych celów. Natomiast metoda przemieszcze sprystych pozwoliła uzyska pozytywne wyniki. Obie metody opracowane przez US i PW zostały eksperymentalnie zweryfikowane w procesie gicia blachy ze stopu aluminium Al6061T4 dla otrzymania czci przedstawionej na rys. 2. Rys. 2. Wytłoczka i narzdzia zastosowane do sprawdzenia metod korekcji narzdzi
Wyniki uzyskane po korekcji narzdzi metodami US i PW dla procesu gicia s porównywalne (rys. 3). Zastosowanie metod korekcji narzdzi pozwala okreli nowy kształt narzdzi. Ten nowy kształt został wygenerowany dla załoonych parametrów kształtowania, tj. materiału blachy, warunków tarcia, siły dociskacza i skoku stempla. kształt nominalny kształt przed korekcj kształt po korekcji Rys. 3. Porównanie kształtu wytłoczek po odkształceniu sprystym i korekcji narzdzi z kształtem nominalnym Mona wykaza, e po modyfikacji narzdzi, dokonanej zgodnie z wymienionymi powyej dwiema metodami, odkształcenia spryste s znacznie mniejsze od tych, które załoono w projekcie i spełniaj one warunki konieczne do prawidłowego wytwarzania wytłoczek. Jeli wytłoczki po korekcie narzdzi nie spełniaj załoonych tolerancji cała procedura musi by powtórzona od pocztku a uzyska si kształt wytłoczek załoonej tolerancji. W przypadku zastosowania programu MARC metoda kompensacji odkształce sprystych została zaadaptowana do oblicze przy pomocy równoległych wieloprocesorowych stacji roboczych. Poprzez zastosowanie opcji restartu w kocowym stadium obciania jest moliwe powtarzanie oblicze dla stanu odcienia przy uwzgldnieniu rónych parametrów. Poniej, dla lepszego zrozumienia problemów modelowania i wykazania moliwoci uzyskiwania duej dokładnoci modelowania, podano przykłady symulacji MES i wyniki eksperymentu dla wybranych procesów kształtowania. Modelowanie odkształce sprystych przy giciu wytłoczek w kształcie litery V z dogniataniem Proces gicia na liter V z dogniataniem był analizowany ze wzgldu na duy gradient odkształcenia wzdłu gruboci blachy. Wymaga to uycia bardziej dokładnych parametrów modelowania. Modele 2D i 3D zostały uyte do symulacji wpływu rodzaju uytych elementów i ich liczby wzdłu gruboci blachy na dokładno rozkładu napre wewntrznych i na okre- lenie odkształce powrotnych. Symulacja została przeprowadzona dla stopu aluminium 6061T4 w rónych kierunkach wzgldem kierunku walcowania. Przyjto, e materiał jest elastoplastyczny z izotropowym umocnieniem, a krzywe umocnienia wprowadzono w postaci numerycznej. Statyczna niejawna procedura integracji została uyta do modelowania kształtowania i sprystych odkształce powrotnych. Proces tłoczenia realizowano zagłbiajc stempel na róne głbokoci. Na rys. 4 przedstawiono zaleno pomidzy ktem sprynowania i liczb elementów wzdłu gruboci blachy. Dla elementów powłokowych kt sprynowania jest niemal stały niezaleny od liczby elementów. w przypadku stosowania elementów objtociowych mona osign lepsz zgodn z wynikami eksperymentu lecz jedynie dla duej liczby elementów rozmieszczonych wzdłu gruboci blachy. kt sprynowania α [stopie] 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 14 17 20 23 26 29 32 35 38 41 44 47 50-0,5-1 -1,5 dla elementów objtociowych dla elementów powłokowych wynik dowiadczalny liczba elementów wzdlu gruboci blachy Rys. 4. Kt sprynowania zaleny od liczby elementów objtociowych i płaskich uytych w procesie symulacji
Modelowanie powrotnych odkształce sprystych wytłoczek stokowych Próbka z blachy w kształcie koła o rednicy 280 mm ze stopu aluminium 6061T4 została poddana procesowi tłoczenia na głboko 30 mm przy uyciu okrgłej matrycy o rednicy 193 mm i cylindrycznego stempla o rednicy 142 mm. Nacisk dociskacza wynosił 2 MPa. Stempel i matryca przyjto, e s to ciała sztywne, podczas gdy odkształcany materiał został niejednorodnie podzielony na czworokty powłokowe 3D o czterech wzłach. Natomiast dociskacz przyjto jako ciało odkształcalne opisane objtociowymi elementami o omiu wzłach. Modelowanie procesu obciania jest wzgldnie proste i poprawne rozwizania mog zwykle by osignite jeli zastosuje si właciwe numeryczne i procesowe parametry. Podczas gdy odcianie (powrotne sprynowanie) czsto wywołuje problemy w dokładnym obliczaniu powrotnych odkształce sprystych. Błdy, jakie powstaj podczas modelowania procesu obciania maj istotny wpływ na kształt wytłoczki po sprynowaniu. Dlatego w procesie symulacji zbadano wpływ wielkoci elementów skoczonych, rozdrobnienia siatki, liczby elementów wzdłu gruboci blachy i współczynnika tarcia na dokładno uzyskiwanych powrotnych odkształce sprystych. Stwierdzono, e dla drobnej siatki uzyskuje si lepsz zgodno kształtu uzyskanego z symulacji z kształtem rzeczywistym wyrobu. Rozdrobnienie siatki w obszarze promienia narzdzi poprawia w duym stopniu kształt wyrobów po sprynowaniu. Do symulacji zastosowano dwa współczynniki tarcia wynoszce 0,1 i 0,15. W przypadku wikszego współczynnika tarcia zmiany kształtu cian bocznych i całkowitego kształtu wytłoczki s bardziej zblione do rzeczywistego kształtu wytłoczki. Modelowanie sprystych odkształce powrotnych wyrobów z blach łczonych laserem (WB) W przypadku blach łczonych laserem musza by uwzgldnione róne ich właciwoci ta w rónych punktach. Kształtowanie takich blach jest trudne poniewa wła- ciwoci materiału zmieniaj si w strefie wpływu ciepła i w samej spoinie. Blachy łczone laserem zostały wykonane z blach E220/E220, FEPO5/FEPO5 i FE220/ FEPO5. Materiał mocniejszy E220 miał grubo 0,7 mm, natomiast materiał słabszy FEPO5 0,76 mm. Wykrój wstpny o rednicy 280 mm wykonany z takich łczonych materiałów został poddany procesowi tłoczenia w celu otrzymania wytłoczki stokowej jak to pokazano na rys. 5. a) b) c) Rys. 5. Wytłoczki wykonane z blach łczonych laserem: a) E220/E220, b) FEPO5/FEPO5 z centralnie usytuowan lini spawania i naciskiem dociskacza 2 MPa, c) FE220/FEPO5 z przesunita lini spawania i naciskiem dociskacza 6 MPa Podczas tłoczenia wytłoczek wykonanych z jednorodnych blach wyrób ma kształt stokowy, nie wykazuje fałdowania bocznej stokowej powierzchni (rys.5a i 5b). W przypadku blach spawanych wykonanych z rónych blach fałdowanie pojawia si w pobliu linii spawania (rys. 5c). Wzrost siły docisku moe wyeliminowa powstawanie fałdowania. Rónice właciwoci materiałów pomidzy blachami E220 i FEO5 powoduj niejednorodne płynicie materiału do przestrzeni matrycy, wynikiem czego jest przemieszczenie linii spawania (rys.5c). Słabszy materiał ulega wikszemu odkształceniu ni mocniejszy i podobnie cieszy materiał odkształca si bardziej ni grubszy. W przypadku blach spawanych laserem o rónej gruboci pojawia si problem z rozkładem nacisków na dociskaczu. Typowy dociskacz nie jest w pełni sztywny i dociska
wytłoczk nierównomiernie. Bez specjalnie zaprojektowania tłocznika jest bardzo trudno kontrolowa rozkład nacisków dociskacza na kontaktowej powierzchni wytłoczki. 4. Wykreowanie modelu matematycznego opisujcego zachowanie si blach w procesach tłoczenia jak równie po dodatkowych operacjach dzielenia Korekcja narzdzi dla wytłoczek kształtowanych z zastosowaniem dodatkowych operacji wymaga rozwizania problemów wirtualnego podziału materiałów. Kade usunicie czci materiału zmienia warunki równowagi i kształt wyrobów. Operacje dzielenia wytłoczek mog by wyodrbnione w zalenoci od iloci usuwanego materiału, miejsca dzielenia i jego sposobu [23]. Pierwsza grupa, to dzielenie zamknitych wytłoczek. W tym przypadku wyeliminowanie ogranicze przemieszcze powoduje znaczn deformacj kształtu i rozmiaru wytłoczek. Nie jest to trudny problem jeli linia podziału jest lini symetrii. W takim przypadku mona modelowa tylko jedn symetryczn cz wytłoczki z przyjciem właciwych warunków brzegowych. Po zamodelowania obciania i odciania warunki brzegowe powinny by usunite i w kolejnym kroku analiza odkształce kocowego kształtu wytłoczki zostaje przeprowadzona. Siły zewntrzne po usuniciu warunków brzegowych s uyte do analizy korekcji narzdzi. Bardziej złoony problem istnieje wtedy, gdy linia podziału nie pokrywa si z lini symetrii. W takim przypadku nie ma moliwoci okrelenia a priori, przed odkształceniem przebiegu kocowej linii podziału i zastosowania go do kreowania siatki. Jednym z rozwiza, które jest stosowane do modelowania to: przeprowadzenie zasadniczego modelowania bez odciania, wygenerowania linii podziału, remeshingu modelu ze wzgldu na linie podziału, zastpienie wewntrznych ogranicze wzdłu linii podziału poprzez warunki brzegowe, przeprowadzenie nastpnej analizy z usunitymi warunkami brzegowymi i korekcje narzdzi na podstawie uzyskanego rozwizania. Druga grupa operacji dzielenia zawiera okrawanie, dziurkowanie lub odcinanie, w których to ilo usuwanego materiału jest stosunkowo mała i główne ograniczenia nie s eliminowane. Po takich rodzajach operacji wytłoczka odkształca si w małym stopniu. Jako przykład wybrano dzielenie wzdłu rednicy osiowosymetrycznej stokowej wytłoczki wykonanej ze stopu aluminium 6061T4. Model elementów skoczonych kształtowanej wytłoczki zawiera bardzo drobn siatk i współczynnik tarcia 0,15. Dowiadczalna wytłoczka została przecita metod elektrolityczn. Przed i po ciciu profil wytłoczki został zmierzony bardzo dokładnie w celu okrelenia jego zachowania w procesie cicia. Wytłoczka została przecita wzdłu kierunku walcowania natomiast jej kształty zostały okre- lone w kierunkach 0, 45 i 90 do kierunku walcowania. Profil wytłoczki w obszarze promieni narzdzi okrelony dowiadczalnie przedstawiono na rys. 6, podczas gdy porównanie rzeczywistego profilu z wynikami modelowania wzdłu kierunku 45 o przedstawiono na rys. 7. Z obu tych rysunków wynika, e uzyskano bardzo dobr zgodno wirtualnego i eksperymentalnego kształtu. Prostoktn wytłoczk podzielono wzdłu krótszej osi symetrii. Badania modelowe i dowiadczalne zostały przeprowadzone dla stopu aluminium 6061T4 i stali SPE220BH. W procesie symulacji przyjto, e stempel i matryca s sztywne, natomiast dociskacz jest elastyczny. Wykrojka została poddana dyskretyzacji przez wprowadzenie czterowzłowych powłokowych elementów z trzynastoma elementami wzdłu jej gruboci i drobn siatk. Profile wirtualnej i rzeczywistej wytłoczki były mierzone przed i po ciciu w trzech kierunkach: w kierunku krótkiej osi symetrii, długiej osi symetrii i w kierunku przektnej. Profile dna wytłoczki w ww. kierunkach wynikajce z symulacji i rzeczywistego przebiegu zgadzaj si bardzo dobrze. Podobnie profile cian bocznych s niemal identyczne. Po ciciu najwiksze odchylenia kołnierza i dna wytłoczki pojawiaj si w kierunku krótkiej osi symetrii, podczas gdy kształt w kierunku długiej osi symetrii jest niemal identyczny w obu przypadkach. Operacje cicia takie jak wykrawanie i dziurkowanie wywołuj jedynie małe zmia-
ny kształtu. Dlatego takie operacje nie zostały omówione w tym artykule. Rys. 6. Kształt wytłoczki uzyskany w badaniach dowiadczalnych wzdłu rednicy przed i po ciciu Rys. 7. Porównanie kształtu wytłoczek uzyskanych z eksperymentu i modelowania przy uyciu drobnej siatki i współczynnika tarcia 0,15 wzdłu kierunku 45 o po ciciu 5. System dokładnego tłoczenia pozwalajcy wytwarza wirtualne narzdzia o skorygowanym kształcie i wymiarach w celu kompensacji powrotnych odkształce sprystych wytłoczek i osignicia załoonej ich dokładnoci po tłoczeniu i po dodatkowych operacjach Głównym celem projektu było zaprojektowanie narzdzi dla uzyskania wysokiej dokładnoci wytłoczek. Metody korekcji narzdzi i optymalizacji parametrów procesu ze wzgldu na uzyskiwan dokładno wytłoczek zostały rozwinite przez US i PW. Wanymi czciami systemu s moduły okrelajce odkształcenia graniczne i warunki fałdowania, które musz by najpierw spełnione, aby dana operacja mogła by zrealizowana. Efektywny system, oparty o symulacje MES, potrzebuje jasnych prawideł i przewodnika dla prawidłowego wyboru właciwoci materiału, modelu materiału, parametrów procesu itp. Dwie róne metody bazujce na rónych załoeniach zostały włczone do systemu jako jedna komplementarna metoda, mona uy t jedn metod bd metody elementarne, wybór metody zaley od uytkownika systemu. Pierwsza metoda wykorzystuje jedynie wyniki symulacji MES bez modyfikacji programu MES, dziki temu metoda ta moe by łatwo powizana z rónymi programami MES. Metoda bazuje na technice optymalizacji pozwalajcej wygenerowa obiektywne funkcje i w ten sposób okreli zakres modyfikacji narzdzi, a take koszt takiej modyfikacji. W przestrzeni wirtualnej wszystkie wybrane czynniki mog by łatwo przebadane i zmodyfikowane. Druga metoda bazuje na teoretycznych zalenociach, co generuje pewne ograniczenia. Metoda stosuje program MES w sposób w cile okrelony, zbiera dane i kreuje nowe warunki brzegowe i nowe zadania. Dlatego jest ona zwizana z jednym cile okrelonym programem MES. Zastosowanie innego systemu MES jest moliwe poprzez wykreowanie nowych wewntrznych procedur dla takiego systemu MES. Metoda bazujca na siłach reakcji pozwala uzyska właciw korekcje narzdzi jedynie dla tych obszarów wytłoczki, które maja bezporedni kontakt z narzdziami. W przypadku metody bazujcej na przemieszczeniach sprystych nie ma takich ogranicze. Najwaniejszym czynnikiem jest dokładno modelowania podczas odciania. Takie danie prowadzi do zwikszenia stopnia swobody i do znacznego wydłuenia czasu oblicze. Zastosowanie metody do duych złoonych wytłoczek wymaga zastosowania komputerów o duej mocy oblicze oraz do poszukiwania sposobu ograniczenia czasu oblicze. System został zaprojektowany i przebadany przy zastosowaniu dwóch programów MES, tj. MARCA i ABACUSA. Jest to otwarty uniwersalny system, który moe by zmodyfikowany przez uytkownika
w bardzo duym stopniu. Jawna i niejawna metoda jest preferowana w przypadku zastosowania programu ABACUS i niejawna dla programu MARC. Główna cz systemu jest powizana z kompensacja powrotnych odkształce sprystych i korekcj narzdzi. Nastpn czci systemu jest modelowanie przy uyciu MES odkształce spr- ystych, tutaj mog powstawa najwiksze niedokładnoci kształtu i wymiarów wytłoczki. Warunki brzegowe, równania konstytutywne, parametry materiałowe, parametry modelowania stanowi podstawowy zbiór czynników okrelajcych dokładno modelowania i czas oblicze. Trzeci czci jest problem powizania wielu elementów z moliwoci przewidywania pkania, niestabilnoci i fałdowania. Wymienione powyej elementy systemu dokładnego tłoczenia przedstawiono na rys. 8, umieszczenie systemu w łacuchu czynnoci zwizanych z projektowaniem przedstawiono na rys. 9 [16]. Jako wstp do systemu naley uy wstpnego mniej lub bardziej dokładnie zaprojektowanego procesu kształtowania [7]. Jako wynik zastosowania systemu projektant uzyskuje informacje dotyczce całoci wytłoczki (utrata statecznoci, powstawanie uszu, fałdowanie itp.), okrelonego kształtu i dokładnoci lub prawidłowoci parametrów procesu oraz kształtu narzdzi ze wzgldu na uzyskiwan dokładno wytłoczki. Jak to wynika z rys. 9 system dokładnego tłoczenia stanowi pewn zwart du cz umieszczon w duym całkowitym systemie projektowania wytłoczek. WOG lub WNG Materiał WB RK Optymalizacja kształtu wykroju Badania laboratoryjne Metoda US korekcji narzdzi PW metoda korekcji narzdzi Badania przemysłowe MES Blachy łczone laserem Rys. 8. Elementy włczone do systemu dokładnego tłoczenia Zaprojektowana wytłoczka Standardowe metody planowania Projektant Poprawa poprzez optymalizacj Opracowany system Narzdzia Rzeczywista wytłoczka Rys. 9. Połoenie dokładnego systemu tłoczenia w całkowitym systemie projektowania wytłoczek
Literatura 1. S. P. Keeler, The effect of strain path on the plastic instability. Proc. of Int. Symp. on Plastic Instability, Sheet Met. Ind., 1965, Vol. 42, pp. 683-687. 2. G.M. Goodwin, Application of strain analysis to sheet metal forming problems in the press shop, Metall. Ital.,1968, Vol. 8, pp. 767-771. 3. Z. Marciniak and K. Kuczyski, Limit strain in the process of stretch forming sheet, Int. J. of Mech. Sci., 1967, Vol. 9, pp. 609-615. 4. A. Barata da Rocha, F. Barlat and J. M. Jalinier, Prediction of the forming limit diagrams of anisotropic sheet in linear and nonlinear loading, Mater. Sci. and Eng., 1984, Vol. 68, pp. 151-158. 5. J. Ferreira Duarte, A. Dias dos Santos and A. Barata da Rocha, Proc. of 18 th IDDRG Biennial Congress, Lisboa, 1994, pp. 29-35. 6. J. Gronostajski and Z. Zimniak, Analytical calculation of forming limit curve, Proc. of Int. Conf. on Advances in Mat. and Proc. Technol., Dublin, 1993, pp. 1497-1503. 7. R. Arrieux, C. Bedrin and M. Boivin. Proc. of 12 th IDDRG Biennial Congress, St. Margharita Ligure, 1982, pp. 61-68. 8. J. Gronostajski, The effect of strain path on the plastic instability, Proc. of Int. Symp. on Plastic Instability, Considere Memorial, Paris, 1985, pp. 4954. 9. J. Gronostajaski and others, The final report of Inco-Copernicus Project entitled System for sheet metal forming design, Report ITMiA PWr., serii SPR, nr 6/2001, 2001, 1-28. 10. R. Arrieux and others, The system for sheete metal forming design, Report ITMiA PWr nr 26/99, Wrocław, 1998, pp. 1-250. 11. M. Apostol and others, The system for sheete metal forming design, Report ITMiA PWr nr 20/2000, Wrocław, 1999 pp. 1-285. 12. Z. Gronostajski, Constitutive equations applied in sheet metal forming processes, Proc. of Int. Conf. on Advances in Materials and Processing Technologies, Guimaräes, Portugal, 1997, 919-925. 13. Z. Gronostajski, Modele konstytutywne opisujce zachowanie si wybranych stopów miedzi w zakresie duych odkształce plastycznych, Scientific Works of Mechanical Engineering and Automation Institute, Monography No 23, 2000, 1-237. 14. R. Arrieux and others, Report on method of residual stresses calculation in complex drawpieces, Laboratory of University of Savoie, Lmea and SEP, 2003, pp.1-67. 15. R. Arrieux and others, Mid-Term Report on the Intelligent System for NET Shape Forming of Sheet Metal Product, Laboratory of University of Savoie, Lmea and SEP, 2004, pp.1-88. 16. J. Gronostajski, Report of realisation of project The Intelligent System for NET Shape Forming of Sheet Metal Products from the MID-TERM Meeting at Wroclaw University of Technology, 2003, pp.1-89. 17. R. H. Wagoner and others, Design of sheet forming dies for springback compensation, Proc. of 6 Int. ESAFORM Conf. on Mat. Forming, Salerno, 2003, 7-14. 18. Z. Zimniak, Spring back error minimization for deep drawing processes, Proc. of the 10th Int. Conf., Ulster 2003, pp. 567-572. 19. Z. Zimniak, Tooling design for sheet metal forming processes compensating springback error, Proceedings of the 6th ESAFORM Conference on Material Forming, Palermo, 2003, pp. 195-198. 20. Z. Zimniak, System zdalnego monitoringu procesów tłoczenia blach z zastosowaniem bada magnetycznych, Materiały XI Konf. Informatyka w Technologii Metali, Kraków, 2004, pp. 277-282. 21. Z. Zimniak, Minimalizacja błdów spr- ynowania powrotnego w procesach tłoczenia blach, Materiały X Konf. Informatyka w Technologii Metali, Wisła- Jawornik, 2003, pp. 147-154. 22. Z. Zimniak, Korekcja błdów wywołanych sprynowaniem powrotnym dla procesów tłoczenia blach, Prace Naukowe - Politechnika Warszawska, Fizyczne i matematyczne modelowanie procesów obróbki plastycznej, Warszawa, 2003, pp. 169
23. J. Gronostajski, A. Niechajowicz and S. Polak, Springback deformation of drawpieces after trimming and parting, 11 Sächsische Fachtagung, Umformtechnik, Freiberg, 2004, 457-476. THE INTELLIGENT SYSTEM FOR NET SHAPE FORMING OF SHEET METAL PRODUCTS Abstract In the last years forming processes of sheet metals have undergone important developments, however, sheet metal forming is an industrial process strongly dependent on numerous interactive variables: material behaviour, lubrication, forming equipment, strain rate etc. The correct choice of these parameters is one of the main aims in modern industry. For sheet metal forming, typical deviations from the desired geometry are dependent on the form and dimension of drawpieces. The main aim of the paper is to show the methods of improvement and development of products manufacturing made from different sheets. The solution of the problem bases on the current calculation of the residual stresses, subsequent springback and the FEM of tool correction. The new design system eliminates inaccuracy of processes and products with very good reliability, as well as time and money consuming trial and error techniques. Key words: sheet metals, forming, precise, system, intelligent